Prägung feinster Strukturen

Sprengprägung von Strukturen in Metall

Dass Sprengstoff die Struktur selbst sehr filigraner und weicher Objekte mit unfassbar hoher Abbildungspräzision in harte Metalloberflächen übertragen kann, ist überraschend. Mittels Sprengprägung können sogar die nur wenigen hundertstel Millimeter feinen Leitbündel (Faszikel) eines Laubblattes, welche für den Transport u. a. von Wasser verantwortlich sind, detailgetreu und dauerhaft in der Stahloberfläche verewigt werden. Damit lassen sich Stahloberflächen schnell und mit höchstem Präzisionsgrad fast beliebig strukturieren.

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Sprengprägung nur mit hochbrisantem Sprengstoff möglich

Der Gedanke an hochrisanten Sprengstoff führt oft zu Assoziation seiner zerstörerischen Auswirkung. In diesem Blog-Beitrag möchte ich beschreiben, wie sich mittels Sprengstoff eine Sprengprägung selbst von weichen Objekten, wie z. B. Laubblättern, in einer überraschend hohen Detailtreue in eine Metalloberfläche herstellen lässt. Zufriedenstellende Ergebnisse, d. h. die Übertragung auch filigraner Strukturen mit hoher Detaillierung, werden jedoch nur mit hochbrisanten Sprengstoffen erreicht. Diese setzen sich detonativ mit einer Geschwindigkeit von ca. 7 000 bis 8 000 Metern pro Sekunde um. Hierzu zählen Explosivstoffe, wie z. B. Hexogen, Nitropenta, RDX und deren Gemische, wie beispielsweise Composition 4 (C-4 oder C4). Der Volksmund bezeichnet diese Explosivstoffe fälschlicherweise als Plastiksprengstoff. Das ist aber nicht ganz richtig, da Kunststoffe hier in der Regel nicht Bestandteil sind.

Sprengstoff erzeugt Druck von ca. 80 000 Bar

Bei der Herstellung der “Prägung” wird das zu strukturierende Objekt direkt auf die Oberfläche des Werkstückes gelegt. Anschließend überträgt die Zündung einer aufgelegten Sprengfolie dessen Struktur auf die Metalloberfläche. Der starke Impuls der Explosion kann dabei dünne Werkstücke zerstören.

Die Positionierung des Blattes spielt für das Ergebnis eine entscheidende Rolle. Denn nur wenn die Blattrückseite auf der Metalloberfläche aufliegt, werden die Fazikelstrukturen des Blattes präzise abgebildet. Die Stoßwelle der Explosion führt dabei zu einer zusätzlichen Härtung des Werkstücks. Maßgeblich für die Qualität der Prägung ist die Homogenität und die Dosierung des Sprengstoffs. Dieser erzeugt bei seiner Detonation im Bruchteil einer Sekunde einen gleichmäßig verteilten Druck von rund 80 Tonnen pro Quadratzentimeter (!) über das Werkstück. Die dabei entstehende Temperatur von über 1000 °C verbrennt das Laubblatt dementsprechend rückstandsfrei. Übrig bleibt eine schwarze Schmauchspur, die sich über die Fläche der aufgelegten Sprengfolie abzeichnet.

Sprengprägung ist keine Prägung im eigentlichen Sinne

Das zu übertragene Material wird im Grunde genommen nicht in das Werkstück “geprägt”. In diesem Sinne erscheint das abgebildete Objekt also nicht vertieft dargestellt. Stattdessen “stört” das zu strukturierende Objekt die Explosionsfront entsprechend seiner Struktur. Damit bilden sich Erhebungen in der Metalloberfläche aus, das heißt, die abgebildete Struktur steht leicht hervor.

Im nebenstehenden Beispiel eines 1-Cent-Stücks kann dies nur erahnt werden. Während durch die Explosion der Sprengfolie das umliegende Material komprimiert wird, bleibt es an Stellen, bei denen das Geldstück aufliegt, folglich in erhöhter Form bestehen. Das zu übertragende Objekt verbrennt bei der Sprengung oder wird pulverisiert (zur Prägung verwendete Münzen habe ich nach keiner meiner vielen Versuche jemals wiedergefunden).

Die Zerstörung von Münzen und Geldscheinen in Deutschland ist übrigens nicht verboten. Dies gilt aber nicht für das Ausland. So ist es etwa in den USA untersagt, Dollar-Scheine oder Münzen zu vernichten. Wer es dennoch tut, muss mit einer Geld- oder sogar mit einer Haftstrafe rechnen. In Thailand ist übrigens nicht nur die Zerstörung des Geldes verboten: Wer versehentlich oder absichtlich auf einen Geldschein mit Abbildung des Königs Bhumibol Rama IX tritt, muss bereits mit einer Gefängnisstrafe rechnen. Wegen Majestätsbeleidigung.

Lichteinfall und -art lässt eine Sprengprägung unterschiedlich erscheinen

Die entstehenden äußerst feinen Strukturen gesprengter Objekte erscheinen je nach Lichteinfall unterschiedlich. Eine Änderung des Lichteinfallwinkels oder die Art der Beleuchtung lässt das Werkstück jeweils im “anderen Licht” erscheinen. So zeigt das linke Bild die Sprengprägung eines Bergarhornblattes in eine Edelstahlplatte bei Tageslicht, rechts bei Neonlicht.

Die besten Ergebnisse werden übrigens mit Laubblättern erzielt, sofern diese eine “fühlbare” strukturierte Blattunterseite aufweisen. Dies ist beispielsweise bei Bergahorn, Brombeere und Walnuss der Fall. Wäre nicht aber auch eine Sprengprägung von Baumfarn ein Versuch wert?

Nanometergroße Strukturen lassen sich durch Sprengprägen abbilden

Die erhaltene Auflösung, mit der man Strukturen übertragen kann, reicht bis in den zweistelligen Nanometerbereich. Damit lassen sich selbst Haare, Sandkörner, die Struktur von Holz, Laubblätter, Holzmaserungen und Textilien (siehe Bild) in fast alle Metalloberflächen übertragen. Auch wissenswert: selbst zur Fixierung eingesetzte Tesafilmstreifen sind nach der Sprengung sichtbar.

Diese Präzision geht sogar so weit, dass selbst Hologramme in Stahl übertragen werden können. Hierzu hat das Fraunhofer Institut für Chemische Technologie in Berghausen unlängst Lösungen gegen Produktpiraterie entwickelt. Ein sogenannter Nickel-Shim, der für Hologramme als Vorlage dient, wurde in Stahl gesprengt. Hierdurch wurde das durch den Nickel-Shim enthaltene Hologramm spiegelbildlich auf die Metalloberfläche übertragen. Dieses nun mit dem Hologramm versehene Werkstück kann dann im Weiteren z. B. als Spritzgussform für Kunststoffteile eingesetzt werden, um diese mit dem Hologramm zu versehen. Produktfälschungen / Plagiate werden so erschwert. Im Gegensatz zum weichen Nickel-Shim verschleißt die sprenggeprägte Stahlvorlage bei dem Verfahren weniger schnell. Zudem wird durch die Explosion die Metalloberfläche gehärtet.

Nicht jedes Material ist als Werkstück für Sprengprägungen geeignet

Ideale Werkstücke für Prägung mit Hilfe von Sprengstoff sind vorwiegend härtere Materialien, wie beispielsweise herkömmlicher Stahl, Edelstahl, Messing aber auch Kupfer. Aluminium hingegen ist zu weich, so dass übertragene Strukturen dort nur unscharf ausgebildet werden. Das Beispiel einer Sprengprägung von Münzen in eine Aluminiumscheibe zeigt dies eindrucksvoll. Verwendet wurde hier Semtex SE10-Sprengfolie. Die Strukturen der Münzen erscheinen lediglich verschwommen. Zudem zerfranst die Detonation das Werkstück am Rand.

(Fast) unbegrenzte Möglichkeiten mit Explosivstoffen?

Kreativen Ideen sind fast keine Grenzen gesetzt. Angefangen vom sprenggeprägten Portrait, die Übertragung des Firmenlogos in Metall, das Erstellen von Kunstobjekten bis hin zur fälschungssicheren und dauerhaften Kennzeichnung von Produkten: all dies ist nur ein paar Gramm Sprengfolie und einem Sprengzünder möglich.

So entstand beispielsweise die Sprengprägung eines Brombeerblattes in eine Messingplatte. Der Bildhauer Bernd Dennig hat diese dann in eine Stele aus Sandsein eingefasst.

Interesse? Ich freue mich auf Ihre Nachricht.

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